钢结构钢屋架课程设计,跨度21m,长度102m

一、设计资料

1.题号53的已知条件，梯形钢屋架挎度21m,长度102m,柱距6m.该年间内设有两台200/50kN中级工作制吊中，轨顶标高为

8.00Dm。冬季最低温度为-20C,地震设计烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。采用】.5mX6m预应力混凝土大型屋面板，80mm

厚泡沫混凝土保温层，卷材屋面，屋面坡度i=l/10.屋面活荷载标准值为0.7kN/m2,雪荷载标准值为0.2kN/m2,积灰荷载标准值

为0.6kN/m”,风荷载标准值0.55kN/m\屋架较支在钢筋混凝土柱上，上柱袱面为400mmX400mm,混凝土标号为C20.钢材采用

Q2353级，焊条采用E43型。

2、屋架计算跨度：L=21m-2X015m=20.7m

3、跨中及端部高度：该屋架为无楝体系屋盖方案，屋面材料为大型屋面板，故采用平坡梯形屋架：由于L<24m,不考虑起拱，端

部高度取Ho=1990nim,屋架的中间高度h=3.040m（约k/6.8）。

二、结构形式与布置

屋架几何尺寸如图（1）所示。

1507.5

1507n1507.5___

6

a

1501350

1500X7=10500

图（1）：21米跨钢屋架型式和几何尺寸

根据厂房长度（102m>60m）、跨度及荷载情况，设置三道上、下弦横向水平支撑。因柱网采用封闭结合，厂房两端的横向水平支撑

设在第•柱间，该水平支撑的规格与中间支撑的规格有所不同。在上弦平面设置了刚性系杆与柔性系杆，以保证安装时上弦杆的稳定，

在各柱间下弦平面的跨中及端部设置了柔性系杆，以传递山墙风荷载。在设置横向水平支掾的柱间，于屋架跨中和两端各设一道垂直

支撑:•梯形钢屋架支撑布置如图（2）所示。

600HI

TcclTLGILGlCMcc3]LGlLG1芋cn~~

二芍n二二Q

S4vr"M，S

p^rcr-DLG2ebLG29oLG2OLG2①LG1-c

CMn

产浮

LG1LG2LG2LG2LG2l.i-l

CMLGl(

aLG2LG2浮32LG2

cLG1LGlMcc4LGlLGlCC4<Sr

邑24^^su二凰

-UGZ~LG2LG2LG2\LG1^

Z-/Wb-j

LG1LG2LG2sLGlLG2LG2

母

“LGl

LG2LG2LG2LG2LGl

Q曾

]产cclLG1LGlscc3LGlLGlcclW1

屋架上弦支撑布置图

6000

L6Q0son*.

cclCGICGI^c3CGI--LGlCC1F

*

QZi'l■'ZCticiZ'：zclzclzcls

XzclX6

ZLGlLGlLGl1

zCMCM21

IIV1-

3QsM

gffXf-2J

OMg§ggMWJ

LG1ObLGlOGLGl皇

3LGl

击LGlLGl、

OLG2LG2LG2

括cc42一

gocczCrCr24寮总2

i*、S

蕾F「一

.12CM1取⑷G

nLGlo

xLGl、向，

CM

Q71

x2><，Q

7Al7c1LG7

、zcl乙I1zcl-

zclrzcleo--zcl

".u一

XcclLGl吒&k、.Xe3LGlccl7

屋架下弦支撑布置图

LG1

垂直支撑2-2

SC-上弦支撑：XC一下弦支撑：CC一垂直支撑：GG—刚性系杆：LG—柔性系杆

图（2）梯形钢屋架支撑布置

三'荷载计算

屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，计算时，取较大的荷载标准值进行计算。因此，取屋面活荷载0.7kN/nf进行计算。屋架沿

水平投影面积分布的白重（包括支撑）按经验公式gK=（0.12+0.011X1）kN/nf计算，跨度单位为米（m）。荷载计算详见表＜1）.

荷载名称标准值（kN/m1）设计值（k\/m'）

预应力混凝土.大型屋面板1.41.4X1.35=1.89

三毡四油防水层0.40.4X1.35=0.54

找平层（厚20mm）0.02X20=0.40.4X1.35=0.54

永久荷载80mm厚泡沫混凝土保温层0.08X6=0.480.48X1.35=0.648

屋架和支撑自承.0.12+0.011X21=0.3510.351X1.35=0.474

管道荷载0.10.IX1.35=0.135

永久向救总和3.1314.227

屋面活荷我0.70.7X1.4=0.98

可变荷载积灰荷载0.60.6X1.4=0.84

可变荷载总和1.31.82

表（1）荷载计算

设计屋架时，应考虑以下一种荷载组合，在组合时，偏于安全不考虑屋面活荷载和积灰荷载的组合值系数。

（1）全跨节点永久荷载+全跻可变荷载。全跨节点永久荷载及全跨可变荷载为

F=(4.227+1.82)XI.5X6=54.423kN

（2）全跨节点永久荷载+半跨节点可变荷载。

全西节点永久荷载为

F1=4.227X1.5X6=38.043kN

半蹲节点可变荷载为

F2=1.82XI.5X6=16.38kN

（3）全跨节点屋架（包括支撑）自重+半跨节点屋面板自重+半跨屋面活荷载,

全跨节点屋架自重为

F3=0.474X1.5X6=4.266kN

半跨节点屋面板自重及活荷载为

F4=<1.89+0.7）XI.5X6=23.31kN

上述计算中，（1）、（2）为使用阶段荷载情况，（3）为施工阶段荷载情况。

四、屋架杆件内力计算

屋架在上述三种内力荷教组合作用下的计算简图如图2.1所示。

F

FF

F/2

FV2

(C)

图2.1桁架计算前图

由图解法或数解法解得F-1的屋架各杆件的内力组合系数(Ml作用于全防、左半跖和右半跨)，然后求出各种荷载情况下的内力进行

组合，计算结果如表(2)所示。

杆件第一种计算杆件内

杆内力系数(F=D第二种组合第三种组合

名称组合力F(kN)

全跨左半跨右半跨

FX①F1XQXF2X②F1X(D+F2X(1)F3XQ+F4X②F3X(D+F4X®

①②③

A

0.000.000.000.000.000.000.000.000.00

B

B-7.4

上-5.31-2.16-406.54-371.16-319.56-155.64-82.21-406.54

弦D7

杆I)-11.

-7.33-3.92-612.80-548.43-492.57-102.34-139.41-612.80

F26

F-12.

-6.86-5.31-662.87-575.73-550.34-211.86-175.73-662.87

II18

a

4.103.011.09223.13205.28173.8387.6542.89223.13

c

下

弦c

杆9.746.663.08530.08479.63420.99196.79113.34530.08

c

e11.9

7.324.63630.90574.89530.83221.65158.94630.90

g6

g11.7

5.885.88640.01543.70543.70187.23187.23640.01

h6

a-7.6

-5.64-2.04-417.97-384.55-325.58-164.23-80.31-417.97

B8

B

5.803.961.84315.65285.51250.79117.0567.63315.65

c

c-4.4

-2.63-1.77-239.46-210.47-196.38-80.07-60.03-239.46

D0

斜

腹D

杆2.791.221.57151.84126.12131.8540.3448.49151.84

e

e-1.5

-0.04-1.52-85.44-60.38-84.62-7.63-42.12-85.44

F7

F34.45Z-22.

0.32-1.031.3617.42-4.6934.45-22.6433.06

g64

g58.29/-24.

0.711.91-1.238.6458.297.3547.55-24.94

H94

A

-0.5-0.50-27.21-27.21-19.02-13.78-2.133-27.21

a

竖C

杆-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42

c

E

-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42

e

G

-1-10-54.42-54.42-38.04-27.57-4.26-54.42

g

表（2）屋架杆件内力组合

五、杆件设计

（1）上弦杆。

整个上弦采用等截面，按FH杆件的最大设计内力设计，即N=-662.87kN.

上弦杆计算长度计算如下。

在屋架平面内：为节间轴线长度，即：

乙=/=1.5075加

在屋架平面外：屋架平面外根据支撑，考虑到大型屋面能起到•定的支撑作用，取上弦横向水平支撑的节间长度:

%=21ox=3.015m。

根据屋架平面外上弦杆的计算长度，上弦破面选用两个不等肢角钢，短肢相并。如图七所示。

腹杆最大内力N=-417.97kN,查表87,中间节点板厚度选用10mm,支座节点板厚度选用12mln.

设入=80,杳轴心受力稳定系数表（b类截面），（p=0.688（由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类），则需要的截面积:

_N_662870

A=4487.27〃加=44.87cm2

一行一0.688x215

需要回转半径为:

.I150.75,。。

1=-21-=------=1.88cm

X280

.J301.5

i=-=-----=3.1/cm

’280

根据需要的A、i、、i,.查附录14、附录15,初选2/125X80X12,肢背间距a=10mm,则由附录M查得i,=2.24”〃：由附录

15杳得A=46.702cm2,/,.=6.23cm。

按所选角钢进行验算：

=^_=15055=6730<[2]=15()

42.24

_2L=30L5=4839<(A]=|50

§6.23

由于儿”,，只需求直。由久查附表12-2得口=0.768,则

N662.87xlQ1

Mpa=192.36，W;a<215Mpa

Q、A0.768x4487

所选截面合适。

图7上弦截面

(2)卜弦杆。整个下弦杆采用同一截面，按最大内力所在的gh杆计算，则：

N=640.01kN=640010N

lox=3000mm,U=10350mm,所需截面积为:

N640()10，mrr，

A=—=------=2M97E6.7”9，〃〃1=z9.77c-«r

入"f215

选用2N100X63X10,因也用不等肢角钢，短肢相并，查附表14、附表15可得A=30.934cM>29.77c/,/；=1.74(w,

iy=5.09cmo

按所选角钢进行验算:

—=040°।°=206.9N/mm2<2\5N/mm~

A,3093.4

ia。。

X、=iiL=—=172.4=250

zr1.74

九，吟=嘿=203.3<［福=250

因此，所选截面合适。

见下图8：

图8下弦截面

(3)端斜杆aB。杆件轴力己知为N=-417.97kN=417970N,计算长度晨=10y=2530mm。

因为LT/，故采用不等肢角纲，长肢相并，使4》片.

设入=80,查轴心受力检定系数表，①=0.688(由双角钢组成的T型和十字形截面均属于b类)。

需要截面面积：

,N417970cocu/u，一。“，

A=——=---------=2825.65〃/〃[-28.26cv/r

(pf0.688x215

需要同转半径:

k=253=3.16cm

X80

i=t=—=3.16cm

'X80

根据需要的A、i’,选用2/100X80X10,则查附表14、附表15可得A=34.334ani,=3.60。〃o

*y=3.12cm,

按所选角钢进行验算:

券=81.09<[2]=150

f2S3

^=—=70,28<[2)=l50

iv3.60

因为工、＞工只需求出0.1n=%，由人查附表12-2得队=0.680,则

N417970

179.02N/mm2<f=215N/mm2

(pxA0.680x3433.4

因此，所选截而合适。见图8所示。

(4)腹杆Be设计。杆件轴力已知为N=315.65kN=315650N。

屋架平面内取节间轴线长度：

L=0.81=0.8X261.3=209.04cn

屋架平面外根据支撑布置取:

%=1=26L3an

计算需要净截面面积:

A=—=315650=M68.Mww»:=M.681CM2

/215

根据需要的A,选用2N75X5等边角钢。则查附录14、附录15得A=14.824cm?,/；=2.33cm,=3.52"”。

截面验算

er=—="5650=212.93N/mnr<2\5N/mm2

A1482.4

/ono04

，、=%•="上=89.72<[©=250

/,2.33

%,=£=型U=74.23<")=250

iy3.52

所选截面合适。如图九所示。

图9斜腹杆Be截面

(5)竖杆Aa设计。杆件轴力已知为N=-27.21kN=27210N.

屋架平面内取节间轴线长度：

1<1X=O.81=0.8X199.0=159.2cm

屋架平面外根据支撑布置取：

1°y=1=199.0cm

因为杆件内力较小，按4=［刃=150选择截面，所需要的回转半径为:

L159.2.”

I,=*=-------=1.06cm

1z150

199

—=l.33c/n

150

根据i、、(，选用2/50X6等边角钢。查附录14、附录15可得A=ll.376cm:ix=\.52cm,/,=2.56c;no

截面睑算:

1592

-py=104.7<[^]=150

I100

=-r=—=77.7<[2]=150

iy2.56

由于4〉%.,只需求出色，由2,查附表12-2得以=0.519

—=——=46.O8N/nun2<f=2\5N/mm2

qA0.519x1137.6

所选截面合适。如图10所示。

1

图10竖杆Aa截面

其余各杆截面选择过程不••列出，计算结果见下表(3)；

杆件计算内力极面俄面面枳计算长度(cm)回转半径Cm)长细比容许确定系数应力(N/mm3)

(KN)规格(cm2)入max长细

匕iy(Pmn

编

名称比

号

闪

上弦全短肢相并2/

-662.8746.702150.75301.52.246.2367.31500.767192.6

杆部125X80X12

下弦全短肢相并2N

640.0130.93430010351.745.09203.3250206.9

杆部100X63X10

aB长肢相并2N

-417.9734.3342532533.123.5081.091500.680179.02

100X80X7

Be315.65T蛰2/75X514,824209.04261.32.333.5289.72250212.93

cD-239.46T型2N75X720.320229.12286.42.303.5599.191500.558211.19

斜

De151.84T型2/50X611.376229.12286.41.522.加150.74:为。133.47

腹

eF-85.44■2/56X816.734249.92312.41.682.33148.761500.312163.65

II

34.45/15097.88

FgT里2/56X510.830249.92312.41.722.77145.30.325

-22.6464.32

58.29/76.23

gHT型2N63XI023.314271.2339.01.883.15144.261500.328

-24.9132.61

Aa-27.21T型2/50X611.376159.21991.522.56104.71500.51946.08

竖Cc-54.42T型2/50X35.942183.22291.552.18118.191500.44620s35

杆Ee-54.42T型2N5OX611.376207.22591.522.56136.321500.362132.15

Gg-54.42T型2/50X611.376231.22891.522.56152.111500.30115a93

表⑶屋架杆件截面选择表

六、杆件节点设计

6.1下弦节点气”

采用E43焊条，角焊缝的抗拉、抗压和剪切强度设计值f；=160N/mm2,最小焊缝

长度不应小于8hf和4Cmnio

(1)斜杆Be与节点板的连接焊缝计算

N=31b.6bkN=31b6bON

按等肢角钢连接的角焊缝内力分配系数计算。

设焊缝尺寸为hf=6mni,所需焊缝长度为：

肢背：/m=().7Af/2h,f^=0.7x315650/(2x0.7x6x16())=164.4m/??

取实际焊缝长度200mm

肢尖：<,=0.3N/2/?,^=0.3x3156507(2x0.7x6x160)=70.46〃"〃

取实际焊缝长度100mm

(2)斜杆cD与节点板的连接焊缝计算

N=-239.46kN=239460N

设焊缝尺寸为%=601叫所需焊缝长度为：

肢背：/“=0.7N/=0.7x2394607(2x0.7x6x160)=124.72〃〃〃

取实际焊缝长度150mm

肢尖：'=o.3N/2%//=0.3x239460/(2x0.7x6x160)=53A5nun

取实际焊缝长度80mm

(3)竖杆Cc与节点板的连接焊缝计算

N=-54.42KN=54420N

设焊缝尺寸为hf=6mm,所需焊缝长度为：

肢背：lw=0.7N/2h.f；=0.7x544207(2x0.7x6x160)=28.34〃〃〃<8h

取实际焊缝长度60mm

肢尖：4=0.3N/2hef；,=0.3x54420/(2x0.7x6x160)=12.15mm<8hf

取实际焊缝长度60mm

(4)节点板尺寸：根据以上求得的焊缝长度，并考虑杆件之间应有的间隙和制作

配装等误差，按比例作出构造详图，从而定出节点尺寸340X230mm?。如图ii所示:

54.42KN

图n.下弦节点c设计图

(5)下弦杆与节点板连接焊缝验算：焊缝受力为左右下弦杆内力差

△N=530.08-223.13=306.95kN

设焊缝尺寸为hf=6mm,

肢背焊缝验算：

2

rf=0.75N/2hJw=0.75x306950/(2x0.7x6x(410-12))=68.86N/<f；=i”N/mm

满足要求，故所选节点板符合。

6.2上弦节点“B”

⑴斜杆Be与节点板的连接焊缝计算

N=315.65kN=315650N

设焊缝尺寸为hf=6mm,所需焊缝长度为:

肢背：/、,=0.7N/2V；=0.7x315650/(2x0.7x6x160)=1(AAmm

取实际焊缝长度200mm

肢尖：=().3N/2/V7=0.3x315650/(2x0.7x6x160)=70.46〃"〃

取实际焊缝长度eOmin

⑵斜杆Ba与节点板的连接焊缝计算

N=-417.97kN=417970N

按不等肢先钢长肢连接的角焊缝内力分配系数计算

设焊缝尺寸为二6nm1,所需焊缝长度为：

肢背：lw=0.65N/2hJ；=0.65x4179707(2x0.7x6x160)=202.14〃"〃

取实际焊缝长度220mm

肢尖：=0.35N/2〃,J/=0.35x41797()/(2x0.7x6x160)=108.85〃〃〃

取实际焊缝长度130mm

⑶节点板尺寸：由腹板焊缝长度及构造要求暂定尺寸450x300mm,如图12所示:

图12.上弦节点B设计图

(4)上弦杆CDE与节点板的连接焊缝验算

为了便于在上弦上搁置大型屋面板，上弦节点板的上边缘可缩进上弦肢背8mm,

用槽焊缝将上弦角钢和节点板连接起来。槽焊缝可按两条焊缝计算，计算时咯去屋架上

弦坡度的影响，假定集中荷载W54.423KN

肢背焊缝验算：hf=O.5t=5mm

F54423、

d=-------=----------------=17.67N/mm2<0.8/7,/；=0.8x1.22x160=156.2N/mm2

2x0.7〃卬0.7x10x(450-10),，

满足要求。

肢尖焊缝验算:AN=406.54KNo偏心距e=80-20=60

设hf=8mm,lw=1-2hf=450-16=434mm

_AN_406540

=83.64N/mm2

2x0.7/?42x0.7x8x(450-16)

6ANe_6x406540x60

=69.387V/mm2

2x0.7〃/厂2x0.7x8x4342

=yj(Y^-)2+83.64?=ioi.]47/mW<f；=160N/mm2

满足要求，故所选节点板符合要求。

6.3屋脊节点“H”

图13.屋脊节点H设计图

弦杆一般都采用同号角钢进行拼接，为了使拼接角钢与弦杆之间能够密合，并便

于施焊，需将拼接角钢尖角削除，可以靠节点板补偿。接头一边的焊缝长度按弦杆内力

计算。

设拼接角钢与受压弦杆之间的角焊缝/?广8nim,则一条焊缝所需的焊缝计算长度为:

662870

=184.95/77/77

IV4x0.7x8x160

取拼接角钢长度为：L=600mm>2/^+32+10=2x184.95+32+10=411.9mm,竖

肢需切去△=10+8+5=23nim,取△=25〃〃〃

上弦杆与节点板之间槽焊承受节点荷载，强度足够，上弦杆肢尖与节点板的连接

焊逢，按上弦杆内力的15%计算，并考虑此力产生的弯矩。

根据放样情况，可定节点板尺寸为500X200mm。取酊=，节点一侧的焊缝长

度为：。=平一20-10=22()相机

焊缝应力验算：

O.15N0.15x662870

=40.4N/mm~

2x0.7义hfx/”2x0.7x8x220

M0.15xNxex60.15x662870x(80-20)x6一

Of=-----------=------------------———=66.03N/m/n-2

'2x0.7x/?x/272x0.7x8x(220)2

66.03

40.42+=67.54N/mm2<f；=l6